于明策 李婷 陳冬梅

(濟(jì)寧醫(yī)學(xué)院 山東濟(jì)寧 272067)

全球變暖已成為當(dāng)今最嚴(yán)峻的全球性問題之一，CO2的過量排放則是引起全球變暖的主要原因。在瀝青路面面層施工過程中會(huì)產(chǎn)生大量能耗與碳排放，而這些能耗與碳排放不僅會(huì)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)體系造成影響，也會(huì)造成溫室氣體增多、加劇全球變暖。2020 年，中國在第75 屆聯(lián)合國大會(huì)上提出“2030 年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”的目標(biāo)，發(fā)展低碳生活、減少碳排放量已成為我國目前長期發(fā)展戰(zhàn)略，因此瀝青路面施工的節(jié)能減排研究重要性日益凸顯。

在瀝青路面施工過程中節(jié)能減排方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究：YUE H 等人在研究路面施工過程能源消耗和碳排放量等環(huán)保問題時(shí)，考慮道路交通能源與道路工程自身的CO2排放量[1]；彭波等人對(duì)多個(gè)地區(qū)在建瀝青路面項(xiàng)目進(jìn)行了碳排放調(diào)查與檢測(cè)，并提出了相應(yīng)碳減排措施[2]；沈藝奇從技術(shù)設(shè)備、能源消耗、氣體排放量等方面進(jìn)行了定量計(jì)算，得出了瀝青混合料拌合階段的能耗和排放占瀝青路面施工過程總能耗和排放比例最高的結(jié)論[3]；李嬋運(yùn)用AHP 與ABC 分類方法對(duì)瀝青路面施工中的主要碳源進(jìn)行了研究，分析了主要影響因素[4]。張興宇等人運(yùn)用LCA法構(gòu)建了瀝青路面施工階段時(shí)的碳排放計(jì)量模型研究了瀝青面層施工過程中各階段碳排放量及特征規(guī)律[5]。其他學(xué)者則從橡膠改性瀝青路面研究能耗和碳排放問題[6-7]。

本文擬通過分析瀝青混合料拌合階段各影響因素，使用層次分析法（AHP）對(duì)排放源所涉及的各環(huán)節(jié)進(jìn)行權(quán)重分析并建立由機(jī)械設(shè)備和加熱瀝青混合料的能耗和排放當(dāng)量模型，最后結(jié)合實(shí)際工程并給出減少碳排放影響的相關(guān)措施。

1 瀝青混合料拌和階段能耗和碳排放影響因素

1.1 能耗和排放來源分析

瀝青混合料的拌和就是在一定溫度下按一定的設(shè)計(jì)配合比將集料和瀝青進(jìn)行攪拌，在拌和階段使用的機(jī)械設(shè)備中主要消耗能源為柴油和電能，利用這些能源將產(chǎn)生大量CO2、CH4和N2O 等溫室氣體，且在高溫情況下，加熱瀝青混合料消耗的重油也會(huì)產(chǎn)生上述溫室氣體的排放。其中，CO2是全球溫室氣體排放總量的70%以上，CH4約占30%。在上述排放源中，拌和樓、裝載機(jī)占主導(dǎo)地位，而瀝青混合料本身產(chǎn)生的很少，各環(huán)節(jié)排放源與能耗類型具體如表1所示。

表1 瀝青混合料拌和階段各環(huán)節(jié)碳排放匯總表

1.2 各工藝過程能耗和排放影響因素分析

1.2.1 機(jī)械設(shè)備消耗柴油

攪拌過程中機(jī)械設(shè)備消耗柴油的影響因素主要與設(shè)備的使用時(shí)間和集料含水量有關(guān)。使用的時(shí)間越長，柴油消耗越多，磨損越嚴(yán)重，機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)能力越低，其耗能和碳排放量越高；集料含水量越高耗能和碳排放越高，研究表明：在攪拌站與骨料含水率的比較中，每提高1%的骨料含水率，則每噸混合料就會(huì)多消耗0.6 kg的柴油[8]。

1.2.2 電力

攪拌階段，機(jī)械設(shè)備需要消耗電能，在發(fā)電站利用化石燃料發(fā)電會(huì)產(chǎn)生碳排放，其主要影響因素為引擎額定功率、集料的重量、水加熱溫度。引擎額定功率越大耗電量越高，由化石燃料燃燒產(chǎn)生的有害氣體越多；集料越重電耗越大，瀝青混合料拌合站產(chǎn)生的碳排放量也越多；水加熱溫度越高能耗越高，瀝青攪拌設(shè)備的碳排放量就越大。

1.2.3 加熱瀝青混合料消耗的重油

從加熱材料角度考慮，影響攪拌階段耗能和碳排放量的主要因素體現(xiàn)在對(duì)集料的加熱和干燥所消耗的重油，其影響因素主要與集料的重量、集料的攪拌溫度等有關(guān)。集料質(zhì)量越大，則單位時(shí)間內(nèi)需要消耗的重油越低，反之，單位時(shí)間內(nèi)的重油消耗量也較大；集料攪拌溫度與進(jìn)料溫度等有關(guān)，進(jìn)料溫度越高，排放溫度越低，溫度上升幅度越小，加熱瀝青混合料消耗的重油和碳排出量就越少。

1.3 拌和階段各排放源權(quán)重分析

在瀝青混合料拌和階段，由于瀝青混料拌和過程中存在著顯著的質(zhì)量差異，故可運(yùn)用AHP法對(duì)瀝青混合料拌和過程中能耗和排放來源進(jìn)行了加權(quán)分析。對(duì)拌和階段的裝載機(jī)供料、集料加熱、瀝青加熱、混合料拌四大環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮，將搜集的原始數(shù)據(jù)根據(jù)相對(duì)重要性建立判斷矩陣詳見表2，代入SPSSAU 分析軟件，得到分析結(jié)果詳見表3。

表2 AHP數(shù)據(jù)

表3 AHP層次分析結(jié)果

AHP 層次分析法原始數(shù)據(jù)，其特征為：AHP 數(shù)據(jù)格式中的右下斜對(duì)角線是1，表明自身和自身的重要性相同；右上角和左下角數(shù)據(jù)呈互為倒數(shù)對(duì)稱格式；數(shù)字代表指標(biāo)之間的相對(duì)重要性，數(shù)字越大代表相對(duì)重要性越強(qiáng)。

由矩陣一致性指標(biāo)CI值查隨機(jī)一致性RI表得四階判斷矩陣的平均一致性指標(biāo)RI值為0.89，進(jìn)而得隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI=0.070/0.89=0.079＜0.1，故而此種AHP 計(jì)算結(jié)果具有滿意的可信度。進(jìn)而表明本判別矩陣符合一致性檢驗(yàn)，計(jì)算得出的權(quán)重具有一致性。由此知，集料加熱環(huán)節(jié)的能耗和排放權(quán)重最大，瀝青加熱環(huán)節(jié)次之，而裝載機(jī)供料環(huán)節(jié)能源和排放量所占比重最小。

2 測(cè)算實(shí)例

2.1 工程概況

某高速公路路基寬度26 m，瀝青面層厚度0.18 m，整個(gè)標(biāo)段消耗的瀝青總量約為66 900 t，瀝青混合料拌合站生產(chǎn)能力為400 t/h，額定功率N=950 kW；瀝青混合料油石比=5%，集料熱容比C1=0.92 kJ/kg·℃，集料含水率ω=4.1%；拌和過程中，集料出料溫度t2=170 ℃，集料進(jìn)料溫度t1＝25 ℃，水的蒸發(fā)溫度t3=100 ℃；水的進(jìn)料溫度t4=25 ℃，水的比熱容C2=4.2 kJ/kg·℃； CO2排放系數(shù)按IPCC第四次評(píng)估報(bào)告取值0.583 9 kN/kW·h。

2.2 機(jī)械設(shè)備碳排放量化

2.2.1 消耗柴油碳排放量

拌和階段第一環(huán)節(jié)是裝載機(jī)供料，在供料時(shí)裝載機(jī)需消耗柴油，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，每攪拌1 t 混合料需裝載機(jī)提供約1 t 的骨料，即每噸燃料的消耗為0.105 L，代入碳排放當(dāng)量計(jì)算公式：

式（1）中：G為CO2當(dāng)量（單位為kg）；Ei為i類能源的消耗量（單位為L/kg）；Ci為i類能源溫室氣體排放因子（CO2取2.73）；gi為各類溫室氣體的全球變暖潛值（CO2取1）。

根據(jù)式（1），得裝載機(jī)供給1 t 集料碳排放量為G=0.105×2.73×1=0.286 65 kg。

又因?yàn)r青混合料油石比a=m瀝青/m集料=5%，故所需集料的質(zhì)量m集料=m瀝青/a=66 900 t/5%=1 338 000 t，得該工程1 338 000 t集料供料時(shí)裝載機(jī)所產(chǎn)生的碳排放量為

0.286 65×1 338 000=383 537.7 kg。

2.2.2 化石燃料發(fā)電碳排放量

瀝青混合料拌合站生產(chǎn)能力為400 t/h，額定功率為N=950 kW，瀝青混合料總質(zhì)量約m總=m瀝青+m集料=66 900+1 338 000=1 404 900 t，其總工作時(shí)間至少為t=1 404 900/240=3 512.25 h，則攪拌設(shè)備產(chǎn)生的用電量為950×3 512.25=3 336 637.5 kW·h，代入式（1）可得利用化石燃料發(fā)電產(chǎn)生的碳排放量為3 336 637.5×0.583 9×1=1 948 262.6 kg。

2.3 加熱瀝青混合料碳排放量化

液態(tài)瀝青一般在水平式瀝青罐中儲(chǔ)存，溫度約為130 ℃，需加熱到170 ℃，攪拌階段瀝青比熱容大約為1.34 kJ/kg·℃；集料初始溫度為25 ℃，需加熱到185 ℃，集料的比熱容Cp 為0.83 kJ/kg·℃；考慮到集料含水率約為4.1%，水蒸氣所消耗的熱能按該含水量在130 ℃時(shí)會(huì)全部揮發(fā)出去計(jì)算，水的比熱容為4.9 kJ/kg·℃；加熱時(shí)使用的燃料為柴油，燃燒率為90%，滾筒熱交換率為60%，導(dǎo)熱油爐熱效率為75%。

則1 t瀝青混合料攪拌產(chǎn)生的能耗中：

（1）Q瀝青=［1.34×（170-130）×103×5/105］/90%/75%=3 781 kJ；

（2）Q集料=［0.83×（185-25）×103×100/105+4.9×（130-25）×103×0.041×100/105］/90%/60%=271 419 kJ。

故每噸瀝青混合料攪拌產(chǎn)生的能耗為Q瀝青混合料=Q瀝青+Q集料= 3 781+271 419=275 200 kJ。

經(jīng)由上述計(jì)算可得，集料加熱過程的能耗占比最大，與AHP層次分析結(jié)果一致。

由國家標(biāo)準(zhǔn)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T 2589-2020）得出1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤釋放能量為29 271 kJ，因此生產(chǎn)1 t瀝青混合料需標(biāo)準(zhǔn)煤量為Q瀝青混合料/29 271=275 200/29 271=9.40 kg。而每消耗1 kg標(biāo)煤平均產(chǎn)生約2.69 kg CO2，則生產(chǎn)1 404 900 t瀝青混合料CO2排放量為9.40×2.69×1 404 900= 35 524 301.4 kg。

3 瀝青路面拌和階段節(jié)能減排措施

3.1 改進(jìn)加熱工藝

瀝青混合料節(jié)能減排的最基本途徑就是降低化學(xué)燃料的用量，從源頭上降低碳排放量，通過改進(jìn)加熱工藝可提高能量的傳熱效率，利用無污染的熱源對(duì)瀝青進(jìn)行加熱，從而降低溫室氣體的排放量。

3.1.1 利用紅外線輻射加熱

瀝青混合料對(duì)波長位于3.2～6.8 μm之間的紅外輻射吸收非常高，且紅外線輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增大，可形成良性循環(huán)，迅速升高瀝青溫度，從而達(dá)到提高傳熱效率、降低溫室氣體排放的目的。由于紅外線輻射在升溫瀝青摻合料的處理過程中不需要再添加其他介質(zhì)，所以利用該方法升溫瀝青的速率比利用導(dǎo)熱油法要快。

3.1.2 利用超導(dǎo)熱管加熱

傳統(tǒng)的瀝青混合料加熱方法導(dǎo)熱效率不足30%，會(huì)導(dǎo)致巨大的能源浪費(fèi)，而超導(dǎo)熱管則通過超導(dǎo)材料傳遞熱量，其導(dǎo)熱系數(shù)與傳統(tǒng)方法相比大大提高了燃料燃燒利用率，目前國內(nèi)該技術(shù)已相對(duì)成熟，在很大程度上可節(jié)約能源、減少碳排放。

3.1.3 利用太陽能加熱

隨著技術(shù)的發(fā)展，潔凈無污染的太陽能設(shè)備制造成本越來越小，運(yùn)營費(fèi)用越來越低，目前人們已經(jīng)開發(fā)了直接利用太陽能加熱瀝青的方法，可大大降低對(duì)環(huán)境的污染與損害。此外，由于它的制造成本小，運(yùn)營費(fèi)用低，節(jié)能環(huán)保，有著很廣闊的使用前景，而且使用過程中不燃燒燃料，所以不會(huì)排放溫室氣體。

3.2 瀝青混合料拌合設(shè)備

瀝青攪拌設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生很多溫室氣體，消耗大量的能源，污染生態(tài)環(huán)境。其攪拌時(shí)間過長不僅會(huì)影響攪拌站的生產(chǎn)效率，而且還會(huì)在攪拌過程中產(chǎn)生部分能耗和排放。根據(jù)各種調(diào)查研究，瀝青攪拌設(shè)備可以從以下幾點(diǎn)改進(jìn)。

3.2.1 選擇保溫和加熱材料

可在成品倉、干燥滾筒等部位采用加熱保溫等措施，將熱能的損失盡可能減至最低。另外，針對(duì)某些要求高溫長期作業(yè)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)還可適時(shí)更新熱源裝置，不僅可以節(jié)約電力、減少碳排放，還可以有效地保證工人身心健康，保護(hù)環(huán)境。

3.2.2 引擎驅(qū)動(dòng)

引擎作為瀝青混合設(shè)備的重要組成結(jié)構(gòu)，應(yīng)適當(dāng)提高空氣系數(shù)，使燃燒器在運(yùn)行過程中的空燃混合比處于最優(yōu)數(shù)值，確保燃油燃燒充分。

3.2.3 機(jī)械設(shè)備

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡可能選擇低能耗、低排放的環(huán)保型機(jī)械設(shè)備，攪拌機(jī)械盡量采用連續(xù)滾筒式瀝青混合料拌合設(shè)備。不同設(shè)備在生產(chǎn)率相同的前提下，連續(xù)滾筒式攪拌設(shè)備可降低約1/4左右的電力消耗，可節(jié)約1.0～1.5 kg/t燃料。

3.3 降低電力消耗

降低電力消耗對(duì)瀝青混合料拌和階段的節(jié)能降耗起著重要作用，具體可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電量。

（1）攪拌瀝青時(shí)，認(rèn)真選擇變壓器，盡可能選用低損耗的變壓器，使用過程中做好維護(hù)管理，定時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)，確保瀝青攪拌站變壓器能持續(xù)有效地進(jìn)行工作，提高生產(chǎn)效率，減少用電量。

（2）確定具體配電電壓，確保設(shè)備和電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定功率下運(yùn)行，使其性能得到最大程度地發(fā)揮。

（3）工程機(jī)械設(shè)備的電力消耗應(yīng)與生活電力消耗區(qū)分開來，實(shí)行臨時(shí)用電，統(tǒng)籌安排，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

（4）按計(jì)劃組織施工，提高機(jī)械設(shè)備的工作效率，降低損耗，從而減少電力的消耗[9]。在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行過程中，可通過優(yōu)化燃燒器噴管和進(jìn)風(fēng)口，有效地控制和降低耗電量，提高燃料效率。

4 結(jié)語

瀝青混合料攪拌過程能耗和碳排放主要來源于兩方面，即機(jī)械設(shè)備和瀝青混合料的加熱，具體包括裝載機(jī)供料、集料加熱、瀝青加熱、瀝青混合料拌合4 個(gè)環(huán)節(jié)。用層次分析法對(duì)各環(huán)節(jié)排放源進(jìn)行權(quán)重分析，集料加熱環(huán)節(jié)權(quán)重最大，瀝青加熱環(huán)節(jié)次之，而裝載機(jī)供料環(huán)節(jié)能源和排放量所占比重最小；通過實(shí)際工程進(jìn)行了能耗和碳排放的計(jì)算，驗(yàn)證了各排放源權(quán)重分布，并給出了瀝青路面拌和階段節(jié)能減排措施。